CN114316514A - 一种环氧梯度材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种环氧梯度功能材料及其制备方法，涉及梯度功能材料技术领域。该环氧梯度功能材料主要包括按重量份数计的以下原料：环氧树脂10‑15份、固化剂0.5‑0.8份、铜5‑6份以及镍15‑18份。该环氧梯度功能材料以环氧树脂作为主要构成原料，并以铜、镍金属作为主要梯度结构化原料，共同配合形成绝缘保温‑导电导热的梯度功能材料，以此使得制备的材料具有梯度功能效果。并且以固化剂促进环氧树脂的固化速度和效果，交联形成具有网状结构的材料，达到预期的合成效果。另外，该材料的制备方法，可使得金属原料在树脂材料中的含量呈梯度变化，从而使得材料具有预期的使用价值。

Description

一种环氧梯度材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及梯度功能材料技术领域，具体而言，涉及一种环氧梯度材料及其制备方法。

背景技术

梯度功能材料(Functionally Gradient Materials，缩写FGM)是两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料，是应现代航天航空工业等高技术领域的需要，为满足在极限环境下能反复地正常工作而发展起来的一种新型功能材料。它的设计要求功能、性能随机件内部位置的变化而变化，通过优化构件的整体性能而得以满足。鉴于其具有的特性，现已应用于化学、生物医学工程、电子以及核能源等领域。

环氧树脂是一种应用广泛的热固性材料，由于其具有良好的绝缘性能、粘接性能、力学性能以及耐腐蚀性、耐溶剂性、耐热等优势，常用作绝缘材料、胶粘剂、封装材料、耐腐蚀材料以及复合材料等。但是，传统环氧树脂的热膨胀系数较高，即为在室温条件下其热膨胀系数可达 (40×10^-6～80×10^-6)/K，与金属、陶瓷等材料存在较大差异。因此，当环氧树脂与金属、陶瓷材料复合成型时，具有受热不均，内部热应力不匀，对器件的使用具有很大影响。

因此，研制一种环氧树脂梯度功能材料，尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环氧梯度材料，其具有梯度变化的两侧具有不同的导电和导热性能，使用时内部受热应力均匀，避免其在使用过程中出现断裂、断层等现象，使用价值较高。

本发明的另一目的在于提供一种环氧梯度材料的制备方法，其能够使得材料内部形成较好的梯度结构，达到预期效果。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

一方面，本发明提出一种环氧梯度材料，主要包括按重量份数计的以下原料：环氧树脂10-15份、固化剂0.5-0.8份、铜5-6份以及镍15-18份。

另一方面，本发明提出一种环氧梯度材料的制备方法，主要包括以下步骤：

将环氧树脂与固化剂混合后，与铜、镍混合，并搅拌，再经成型固化后，制得混合物；将混合物在磁场中放置30h-36h后，进行烧结，制得环氧梯度材料。

本发明实施例的环氧梯度材料及其制备方法至少具有以下有益效果：

一方面，本发明提出一种环氧梯度材料，主要包括按重量份数计的以下原料：环氧树脂10-15份、固化剂0.5-0.8份、铜5-6份以及镍15-18份。该环氧梯度材料以环氧树脂作为主要构成原料，并以铜、镍金属作为主要梯度结构化原料，共同配合形成绝缘保温-导电导热的梯度功能材料，以此使得制备的材料具有梯度功能效果。并且以固化剂促进环氧树脂的固化速度和效果，交联形成具有网状结构的材料，达到预期的合成效果。由此，该梯度功能材料的金属含量自少的一侧向多的一侧呈梯度变化，因此，该功能材料由于金属含量的梯度变化，且导热系数以及导电率随之发生变化，此时，该材料的两侧能够耐受不同的环境，从而使得该材料的适用性较强。同时，当该材料使用于热环境差异较大的区域时，其内部的热应力由于金属的原因分布较为均匀，因此使用过程中不易出现断裂、断层等现象，使用价值较高。

另一方面，本发明还提出一种环氧梯度材料的制备方法，该方法可使得金属原料在磁场的作用下，在树脂材料中的含量呈梯度变化，从而形成梯度材料，进而使得材料具有预期的使用价值。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考具体实施例来详细说明本发明。

本发明提出一种环氧梯度材料，主要包括按重量份数计的以下原料：环氧树脂10-15份、固化剂0.5-0.8份、铜5-6份以及镍15-18份。各原料的具体功效如下：

环氧树脂：环氧树脂是一种高分子聚合物，分子式为(C₁₁H₁₂O₃)n，是指分子中含有两个以上环氧基团的一类聚合物的总称，也是环氧氯丙烷与双酚A或多元醇的缩聚产物。由于环氧基的化学活性较高，因此其可用多种含有活性氢的化合物使其开环，以此交联形成网状结构的热固性树脂。由此可见，环氧树脂具有易于改性、耐化学品性能好、绝缘性能以及密封性能好等特点。因此，将环氧树脂用于仪器设备中时，具有较强的优势。

固化剂：固化剂又称作硬化剂、熟化剂或变定剂，是一类增进或控制固化反应的物质或混合物，其可将通过促进交联作用的方式，使得环氧树脂的力学性能、耐热性以及耐腐蚀性具有较大改善，达到预期的固化效果。

本发明中，固化剂选用乙二胺、1,2-二(2-氨基乙氧基)乙烷或二乙氨基丙胺。乙二胺可与环氧树脂快速发生反应，生成加成化合物，以此达到快速完成固化的效果。

1,2-二(2-氨基乙氧基)乙烷的CAS号为929-59-9，别名为乙二醇双(2- 氨乙基)醚，其分子结构两端存在的氨基官能团能够与环氧树脂发生反应，从而使得环氧树脂分子相互交联形成网状结构，达到固化效果。

二乙氨基丙胺别名为N-N二乙基-1,3-丙二胺，CAS号为104-78-9，常用作表面活性剂、医药合成中间体、染料以及颜料等。由于其结构特性，含有一个伯氨基外，还含有一个叔胺基团，因此其对环氧树脂的固化效果具有较好的促进作用。同时，二乙氨基丙胺还可有效提升树脂的抗拉强度、抗冲击强度，同时还可使得环氧树脂具有较好的电气性能和低温特性，效果较好。

铜：铜单质为紫红色，具有较好的延展性、导热性以及导电性。同时铜金属的机械性能优异，电阻率较低，热导率较高。由此可见，当将铜作为梯度功能材料时，能够使得环氧树脂的一侧具有较好的绝缘、保温效果，而具有铜金属的另一侧具有较好的导热、导电效果，达到受热均匀，且内部热应力均匀的预期改善目的，效果较好。

镍：镍是一种质地硬，且具有较好延展性的铁磁性金属，并具有较好的耐磨性能以及抗腐蚀性能。因此，当将其用作梯度功能材料的原料时，能够更加容易形成梯度结构，从而使得梯度功能材料更易形成，成品率更高。同时，其可与铜协同提升环氧树脂一侧的导热性以及导电性能，增强作用效果。

综上，该梯度功能材料以环氧树脂作为主要构成原料，并以铜、镍金属作为主要梯度结构化原料，共同配合形成绝缘保温-导电导热的梯度功能材料，以此使得制备的材料具有梯度功能效果。并且以固化剂促进环氧树脂的固化速度和效果，交联形成具有网状结构的材料，达到预期的合成效果。

本发明中，还可包括0.1-0.3重量份的促进剂，其可加快固化反应的反应速度，降低固化温度，以此使得固化的条件更为温和，固化效果更好。

促进剂可选为三乙醇胺、N-N二甲基苯胺或2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚。上述促进剂均为进一步协同固化剂进行固化反应，增强固化效果。而 N-N二甲基苯胺还可增强固化反应的稳定性，2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚则可有效缩短固化时间，达到较好的交联固化效果。

本发明还提出一种环氧梯度材料的制备方法，主要包括以下步骤：

将环氧树脂与固化剂混合后，与铜、镍混合，并搅拌，再经成型固化后，制得混合物；将混合物在磁场中放置30h-36h后，进行烧结，制得梯度功能材料。

具体地，将粉末状的环氧树脂与粉末状的固化剂混合，并且在混合过程中不发生交联反应，即为不含其他反应媒介，例如水。当混合均匀后，将铜、镍金属粉末与前述原料混合，并搅拌，经初步成型固化后制得混合物。

为使得环氧树脂粉末、固化剂以及金属粉末能够混合均匀，在搅拌速度120rpm-150rpm的条件下搅拌10min-20min，达到预期的搅拌效果。

当搅拌速度较快时，易出现粉末扬起的现象，此时，粉末由于扬起而增大损失量，从而对梯度功能材料的性能具有一定的影响。同时，由于粉尘扬起时，还会影响制备者的身体健康，并对搅拌仪器造成负面影响。

而当搅拌速度较慢时，环氧树脂粉末、固化剂以及金属粉末间的混合程度较低，或混合速度较慢，制作时间成本较高。同时，由于混合过程较慢，因此在此混合过程中，原料易受到环境因素的影响，不可控因素更多，从而使得效果不佳。

当混合搅拌完成后，进行成型固化。并且，成型固化的温度为 50℃-60℃，成型固化的时间为10h-20h。在该固化温度的条件下，能够使得环氧树脂进行初步固化，达到成型效果，避免粉末因为外在环境的影响而发生大浮动改变，从而使得原料间混合均匀的效果受到影响，进而影响梯度功能材料的品质。

经成型固化后，还可进行脱泡，且脱泡的压力为0.35MPa-0.55MPa，脱泡的时间为3min-5min。脱泡可顺利去除混合物中的存在的气泡，使得原料间的紧密效果更好，并且能够使得制备的梯度功能材料具有更好的抗冲击性能以及抗压性能。同时，由于原料在低温条件下进行初步固化，因此，当去除混合物间的气泡后，分子间还可粘结发生作用(由于分子间作用力的原因)，从而达到提升功能材料强度的效果，并可提升功能材料的导热导电性能，受热均匀，效果较好。

当脱泡压力较大时，易使得成型材料破碎，失去原有的使用价值。而当脱泡压力较小时，脱泡效果不佳，从而影响功能材料的品质的同时，还影响功能材料的外观，使用效果较差，且不符合消费者的需求。

本发明中，当混合物制作完成后，可将混合物放置在磁场中，进行结构梯度化，从而形成梯度功能材料。由于镍金属受到磁场的影响，会以磁场方向作为移动方向进行梯度分布，使得环氧树脂材料能够从一侧至另一侧呈环氧树脂-环氧树脂复合少量金属-环氧树脂复合大量金属的梯度变化。由此，当环氧树脂的膨胀系数与金属的膨胀系数差异较大时，易不会在使用过程中发生脱层、剥落、断裂等情况。同样，当环氧树脂的一侧需要更强的导热导电性时，梯度功能材料内的热应力更为均匀，使用效果更好。

在磁场中放置30h-36h后，金属镍能够在磁场中充分梯度分布，从而使得梯度功能材料的梯度分布连续，且效果较好。当磁场中放置时间较长时，其会影响金属的连续梯度分布。而当其在磁场中的时间较短时，梯度变化不明显，达不到预期的效果。

当完成结构梯度变化后，可进行烧结。以烧结的方式增强环氧树脂与金属间的结合效果，避免金属在内部发生偏移、络合等现象。

本发明中，烧结方式可选用激光加热的方式进行。通过激光加热的方式能够依据梯度方向进行加热烧结，从而使得不同梯度部分进行不同温度的烧结，达到分梯度烧结的效果。

本发明中，激光加热的线性梯度温度为80℃-200℃，即为，在环氧树脂的初始位置处激光加热温度为80℃，而随金属含量梯度变化，逐渐升温，至金属含量梯度最大的一侧时，激光加热温度为200℃，以此形成梯度功能材料，效果较好。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例的目的在于提供一种环氧梯度材料，包括以下原料：

环氧树脂12kg、固化剂0.75kg、铜5.5kg以及镍16.5kg，其中固化剂为乙二胺。

该环氧梯度材料的制备方法的步骤如下：

将粉末环氧树脂与粉末固化剂混合后，再与铜、镍混合，并在搅拌速度135rpm的条件下搅拌15min，混合均匀后，在温度为55℃的条件下进行成型固化15h，然后制得混合物；并将混合物在0.45MPa的压力条件下进行脱泡，且脱泡时间为4min，完成脱泡过程。

经脱泡后，将混合物在磁场中放置33h后，以激光加热的方式进行梯度烧结，且线性梯度温度为80℃-200℃，然后制得环氧梯度材料。

实施例2

本实施例的目的在于提供一种环氧梯度材料，包括以下原料：

环氧树脂10kg、固化剂0.5kg、铜5kg、镍15kg以及促进剂0.1kg，其中固化剂为1,2-二(2-氨基乙氧基)乙烷，促进剂为三乙醇胺。

该环氧梯度材料的制备方法的步骤如下：

将粉末环氧树脂、粉末固化剂以及粉末促进剂混合后，再与铜、镍混合，并在搅拌速度120rpm的条件下搅拌10min，混合均匀后，在温度为50℃的条件下进行成型固化20h，然后制得混合物；并将混合物在0.35MPa 的压力条件下进行脱泡，且脱泡时间为3min，完成脱泡过程。

经脱泡后，将混合物在磁场中放置30h后，以激光加热的方式进行梯度烧结，且线性梯度温度为80℃-200℃，然后制得环氧梯度材料。

实施例3

本实施例的目的在于提供一种环氧梯度材料，包括以下原料：

环氧树脂15kg、固化剂0.8kg、铜6kg、镍18kg以及促进剂0.3kg，其中固化剂为二乙氨基丙胺，促进剂为N-N二甲基苯胺。

该环氧梯度材料的制备方法的步骤如下：

将粉末环氧树脂、粉末固化剂以及粉末促进剂混合后，再与铜、镍混合，并在搅拌速度150rpm的条件下搅拌20min，混合均匀后，在温度为 60℃的条件下进行成型固化10h，然后制得混合物；并将混合物在0.55MPa 的压力条件下进行脱泡，且脱泡时间为5min，完成脱泡过程。

经脱泡后，将混合物在磁场中放置36h后，以激光加热的方式进行梯度烧结，且线性梯度温度为80℃-200℃，然后制得环氧梯度材料。

实施例4

本实施例的目的在于提供一种环氧梯度材料，包括以下原料：

环氧树脂11kg、固化剂0.6kg、铜5.3kg、镍16kg以及促进剂0.15kg，其中固化剂为二乙氨基丙胺，促进剂为2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚。

该环氧梯度材料的制备方法的步骤如下：

将粉末环氧树脂、粉末固化剂以及粉末促进剂混合后，再与铜、镍混合，并在搅拌速度130rpm的条件下搅拌13min，混合均匀后，在温度为 53℃的条件下进行成型固化18h，然后制得混合物；并将混合物在0.40MPa 的压力条件下进行脱泡，且脱泡时间为3.5min，完成脱泡过程。

经脱泡后，将混合物在磁场中放置33h后，以激光加热的方式进行梯度烧结，且线性梯度温度为80℃-200℃，然后制得环氧梯度材料。

实施例5

本实施例的目的在于提供一种环氧梯度材料，包括以下原料：

环氧树脂14kg、固化剂0.7kg、铜5.8kg、镍17kg以及促进剂0.25kg，其中固化剂为乙二胺，促进剂为三乙醇胺。

该环氧梯度材料的制备方法的步骤如下：

将粉末环氧树脂、粉末固化剂以及粉末促进剂混合后，再与铜、镍混合，并在搅拌速度145rpm的条件下搅拌18min，混合均匀后，在温度为 58℃的条件下进行成型固化13h，然后制得混合物；并将混合物在0.50MPa 的压力条件下进行脱泡，且脱泡时间为3.8min，完成脱泡过程。

经脱泡后，将混合物在磁场中放置35h后，以激光加热的方式进行梯度烧结，且线性梯度温度为80℃-200℃，然后制得环氧梯度材料。

实施例6

本实施例的目的在于提供一种环氧梯度材料，包括以下原料：

环氧树脂13kg、固化剂0.7kg、铜5.7kg、镍16.5kg以及促进剂0.25 kg，其中固化剂为1,2-二(2-氨基乙氧基)乙烷，促进剂为三乙醇胺。

该环氧梯度材料的制备方法的步骤如下：

将粉末环氧树脂、粉末固化剂以及粉末促进剂混合后，再与铜、镍混合，并在搅拌速度145rpm的条件下搅拌18min，混合均匀后，在温度为 58℃的条件下进行成型固化13h，然后制得混合物；并将混合物在0.50MPa 的压力条件下进行脱泡，且脱泡时间为3.8min，完成脱泡过程。

经脱泡后，将混合物在磁场中放置35h后，以激光加热的方式进行梯度烧结，且线性梯度温度为80℃-200℃，然后制得环氧梯度材料。

效果例

随机抽样实施例1-6制备的环氧梯度材料，测试其物理性能，结果见表 1。

测试方法如下：

1)拉伸强度：拉伸强度采用WDW-10M拉力测试仪进行测试，结果见表1。

2)导热性能：测试材料的导热系数通过DRP-II导热系数测试仪进行测定。

3)导电性能：采用导电率测试仪进行测定，结果见表1。

表1测试结果(自环氧树脂侧至金属侧)

由表1可知，实施例1-6制作的梯度功能材料具有较好的拉伸强度，同时，其导电系数以及导热系数能够由环氧树脂的一侧向金属所在一侧逐渐增加，达到梯度递增的效果，与预期效果相符。可见，该梯度功能材料适用于多种领域，例如汽车行业等，适用性较强。在此还需注意的是，将实施例1制备的材料(根据其导热系数的差异)放置在两个温度差异较大的两个环境中(环氧树脂一侧的环境温度为120℃，金属材料一侧为10℃) 30天，放置后材料自身并未出现断裂、断层等现象，可见，梯度结构的效果达到预期的使用效果，使用价值较高。在此需要注意的是，实施例1-6 制备的产品具有些许差异，是由于制备过程中成分含量存在差异，且制备过程具有些许差异，因此，产品的性能具有变化。

综上所述，本发明提出一种环氧梯度材料，主要包括按重量份数计的以下原料：环氧树脂10-15份、固化剂0.5-0.8份、铜5-6份以及镍15-18 份。该环氧梯度材料以环氧树脂作为主要构成原料，并以铜、镍金属作为主要梯度结构化原料，共同配合形成绝缘保温-导电导热的梯度功能材料，以此使得制备的材料具有梯度功能效果。并且以固化剂促进环氧树脂的固化速度和效果，交联形成具有网状结构的材料，达到预期的合成效果。由此，该梯度功能材料的金属含量自少的一侧向多的一侧呈梯度变化，因此，该功能材料由于金属含量的梯度变化，且导热系数以及导电率随之发生变化，此时，该材料的两侧能够耐受不同的环境，从而使得该材料的适用性较强。同时，当该材料使用于热环境差异较大的区域时，其内部的热应力由于金属的原因分布较为均匀，因此使用过程中不易出现断裂、断层等现象，使用价值较高。

另外，本发明还提出一种环氧梯度材料的制备方法，该方法可使得金属原料在磁场的作用下，在树脂材料中的含量呈梯度变化，从而形成梯度材料，进而使得材料具有预期的使用价值。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种环氧梯度材料，其特征在于，包括按重量份数计的以下原料：环氧树脂10-15份、固化剂0.5-0.8份、铜5-6份以及镍15-18份。

2.根据权利要求1所述的环氧梯度材料，其特征在于，所述固化剂为乙二胺、1,2-二(2-氨基乙氧基)乙烷或二乙氨基丙胺。

3.根据权利要求1所述的环氧梯度材料，其特征在于，还包括0.1-0.3重量份的促进剂。

4.根据权利要求3所述的环氧梯度材料，其特征在于，所述促进剂为三乙醇胺、N-N二甲基苯胺或2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚。

5.一种如权利要求1所述环氧梯度材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将环氧树脂与固化剂混合后，与铜、镍混合，并搅拌，再经成型固化后，制得混合物；

将混合物在磁场中放置30h-36h后，进行烧结，制得所述环氧梯度材料。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述成型固化后，进行脱泡，且所述脱泡的压力为0.35MPa-0.55MPa，所述脱泡的时间为3min-5min。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌的速度为120rpm-150rpm，所述搅拌的时间为10min-20min。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述成型固化的温度为50℃-60℃，所述成型固化的时间为10h-20h。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述烧结方式采用激光加热进行。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述激光加热的线性梯度温度为80℃-200℃。